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金属-有机物骨架可减少石化工业能源消耗

新材赢家2019-02-10 08:47:42


商用聚合物基座上的超薄MOF膜

在化学和石化行业中,如何以节能的方式分离分子是行业面临的最重要挑战之一。分离过程占石化行业总共能源消耗的40%左右,而减少分离过程所消耗的能源有助于解决人类活动产生的碳排放问题。

丙烯是石化行业最重要的产品之一,广泛应用于纤维、泡沫和塑料等产品中。纯化丙烯几乎不可避免地要将其与丙烷分离。目前分离过程通过低温蒸馏来完成,这一过程中两种气体冷却至零度以下而液化。这就给丙烯-丙烷分离过程带来了非常大的能源足迹。

其中一种解决方法是使用“金属-有机物骨架”(metal-organic frameworks, MOF’s)。这些是由有机配体连接在一起的金属节点制成的多孔结晶聚合物。分子尺度上的孔使MOFs能够有效地捕获分子,因此它们现在成为碳捕获研究的主要候选材料。

就分离分子的性能而言,基于MOF的膜是表现最好的,并且可以在室温环境下进行丙烯-丙烷分离过程。一种名为ZIF-8(沸石咪唑骨架-8)的MOF在30℃下,丙烯通过其孔扩散的速率是丙烷的125倍,提供了高选择性而无需零下温度。

来自洛桑联邦理工学院的Kumar Varoon Agrawal教授说到:“这种方法面临的主要挑战是如何在商用多孔基质上合成高质量、超薄的MOF薄膜,而无需对基质做复杂的改性。这种高质量的薄膜具有更少的缺陷,而且对于获得较高的分离选择性来说是必需的。”他位于洛桑联邦理工学院Sion校区的实验室开发出一种直接的MOF结晶方法,叫做“高度共生结晶薄膜的电泳核组装”(ENACT)。

高度共生结晶薄膜的电泳核组装

ENACT法允许简单地调节未改性的多孔和无孔基质上的异质成核。这反过来又促进了超薄、高度共生的多晶MOF薄膜的合成。

实验室使用ENACT法成功合成500nm厚的MOF膜。当研究人员测试MOF膜时,其在丙烯/丙烷分离过程中展现有记录以来最好的分离性能之一。超薄膜展现了较好的丙烯渗透性,这将有助于减少工业应用所需的膜面积。

研究小组总结到,这种多功能、直接的ENACT法可以扩展到多种纳米多孔晶体中去。






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